质子理论阐述,能给出质子的分子或离子是酸,能接受质子的分子或离子是碱,酸给出质子转变为相应的碱,碱接受质子转变为相应的酸,这种因质子得失而相互转变的一对酸碱称为共轭酸碱对。
根据布朗斯特德和劳莱的
酸碱质子理论,认为酸是能给出质子的物质,碱是能接受质子的物质。酸失去质子,变成该酸的共轭碱碱得到质子后变成该碱的共轭酸,有这种关系的酸碱称共轭酸碱对。根据酸碱的质子理论,酸或碱可以是中性分子,也可以是阳离子或阴离子。既有酸的性质又有碱的性质的物质称为两性物质,同理,具有酸的性质又有碱的性质的溶剂为两性溶剂。酸或碱的失去质子或得到质子总是在某种溶剂中进行的,而两性溶剂分子之间本身就能发生质子的转移反应,即质子自递作用。
共轭酸碱对是一对以质子得失关系联系起来的酸和碱。根据酸碱质子理论,酸和碱总是对应存在,酸给出质子变成其共轭碱,而碱得到质子变成其相应的共轭酸,这种关系叫共轭关系。如醋酸(HAc)和醋酸根(Ac)、氨 (NH3)和铵离子(NH4)等均为共轭酸碱对。在分析化学中,这种共轭体系常被作为酸碱缓冲体系,即保持分析溶液为一定的pH值,不受外界少量的酸或碱的加入以及溶液稀释的影响。
与电离理论最大的不同在于,质子理论里面只有酸碱的概念,而没有盐的概念。因此,在
缓冲溶液中,缓冲对即为一对共轭酸碱对。实际上应用共轭酸碱对的概念,缓冲溶液可以只分成两类,即弱酸及其共轭碱和弱碱及其共轭酸两类。此外,在高浓度的强酸强碱溶液中,由于 或 的浓度本来就很高,外加少量酸或碱不会对溶液的酸度产生太大的影响,在这种情况下,强酸强碱也是缓冲溶液,它们主要是高酸度(pH<2)和高碱度(pH>12)时的缓冲溶液。
以HB—B—缓冲溶液体系为例,HB和 的起始浓度很大,体系中存在共轭酸HB和它的共轭碱。根据酸碱反应的原则,不难知道,如果向此溶液中加入少量强酸时,溶液中的共轭碱可以接受 ,生成HB,从而抵抗 对pH的影响。如果向此溶液中加入少量强碱时,溶液中的共轭酸HB可以接受 ,生成 ,从而抵抗 对pH的影响。因为共轭酸碱对的存在,所以可以抵抗少量外加酸碱,从而保持缓冲溶液的pH值基本不变。
理论研究表明,缓冲溶液超出 (弱酸及其共轭碱,或者弱酸及其对应的盐)或者 (弱碱及其共轭酸,或者弱碱及其及其对应的盐)就不再具有缓冲能力。应用共轭酸碱对的概念,缓冲范围可以仅仅以 或表示,示例见表二。
按照电离理论,选择一种缓冲对,使其中弱酸(或弱碱)的pKa(或pKb)与所需要的pH(或pOH)相等或相近,如pKa或(pKb)与所需要的pH(或pOH)值不完全相等时,则按所要求的pH(或pOH)值,利用缓冲方程式,计算出所需的弱酸(或弱碱)和盐的浓度比。按照质子理论,仅仅将“盐”换成“共轭碱”(或“共轭酸”)而已。